3.3.1.1.4 Теплопередача в поверхностных теплообменниках

Количество теплоты, переданной в единицу времени от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку поверхностью F можно определить из основного уравнения теплопередачи

Q = K^.F^.t_ср, Вт. (3.24)

Уравнение (3.24) применяется для расчета необходимой площади поверхности теплопередачи при известных значениях тепловой нагрузки теплообменного аппарата Q, средней разности температур теплоносителей t_ср и коэффициента теплопередачи К

, м² (3.25)

По рассчитанной площади поверхности теплопередачи в зависимости от назначения подбирается теплообменный аппарат по ГОСТам: 15118-79, 15119-79, 15121-79, 15120-79, 15122-79, 14245-79, 14246-79, 14247-79, 14248-79 (параметры аппаратов в соответствии с указанными ГОСТами приведены в таблицах III – VII приложения. В приложении приведены также диаметры условного прохода штуцеров (таблица VIII), число сегментных перегородок (таблица IX) и масса кожухотрубчатых теплообменных аппаратов (таблица X)). ГОСТы на теплообменные аппараты других типов приведены в [4].

3.3.1.1.5 Последовательность расчета и подбора кожухотрубчатого теплообменника

Рассмотрим последовательность расчета и подбора кожухотрубчатого теплообменного аппарата для нагрева органической жидкости от начальной t_2н до конечной t_2к температуры при расходе жидкости G₂ (кг/с).

В качестве горячего теплоносителя выбираем насыщенный водяной пар давлением Р (МПа) при степени сухости х.

По таблице 3.4 принимаем тип аппарата, выбираем материал труб – сталь; аппарат вертикальный. Нагреваемая жидкость подается в трубы, пар – в межтрубное пространство.

По таблицам теплофизических свойств нагреваемой жидкости при t_2ср = 0,5^.(t_2н+ t_2к) определяем плотность ₂ (кг/м³), теплоемкость С₂ (кДж/(кг^.град)), вязкость  ₂ (Па^.с), теплопроводность ₂ (Вт/(м^2.град)) [1].

По таблице I приложения по давлению Р (МПа) определяем температуру насыщения пара t_1н = t_1к = t_s и удельную теплоту конденсации r (кДж/кг).

По таблице теплофизических свойств воды на линии насыщения (таблица II приложения) при t_s определяем свойства конденсата: плотность  (кг/м³), теплопроводность (Вт/(м^.град)), вязкость  (Па^.с) [1].

Расчет кожухотрубчатого аппарата проводится следующим образом:

1. определяем тепловую нагрузку аппарата

Q₂ = G₂ ^. C₂ ^. ( t_2к – t_2н), кВт;

2. по уравнению теплового баланса (1.6) определяем расход насыщенного водяного пара

, кг/с;

3. при теплообмене между теплоносителями насыщенный водяной пар конденсируется при постоянной температуре t_s; поэтому схема движения теплоносителей не влияет на величину средней разности температур. t_ср определяем либо по уравнению (3.17), либо (3.18). Расчетная схема для определения t_б и t_м изображена на рисунке 3.4 d.

4. по таблице 3.6 принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К_ор с учетом вида теплоносителей и характера их движения (в данном примере – от конденсирующегося водяного пара к органической жидкости при ее вынужденном движении);

5. по уравнению (3.25) рассчитываем ориентировочную площадь поверхности нагрева

, м²;

6. принимаем диаметр труб (202,0 мм или 252,0 мм; первая цифра обозначает наружный диаметр трубы d_н, вторая – толщину стенки . Тогда внутренний диаметр трубы d_вн = d_н – 2^., мм) и длину труб l (l = 2,0; 3,0; 4,0; 6,0 м в соответствии с ГОСТом на принятый к расчету аппарат.

7. определяем общее число труб аппаратов, шт

;

8. число труб n₁ (шт) на один ход определяем из условия турбулентного режима движения жидкости (Re = 10 000 – 20 000). Например, ориентировочно принимаем Re_{2 ор} = 15 000. Тогда

;

9. рассчитываем число ходов трубного пространства аппарата

;

10. по рассчитанным величинам F_ор, n, z и выбранным размерам труб (d_вн и l) в соответствии с ГОСТом подбираем аппарат с наиболее близкими параметрами: F_норм, м²; n; z;

11. проводим проверку выбранного аппарата, определив коэффициенты теплоотдачи со стороны конденсирующегося водяного пара (₁) и нагреваемой жидкости (₂) по критериальным уравнениям соответствующего вида и коэффициент теплопередачи К по уравнению (3.21);

12. уточняем поверхность теплопередачи (F_расч, м²) по уравнению

;

13. определяем запас поверхности нагрева , %

.

Если запас поверхности нагрева  достаточен, то аппарат выбран правильно. В противном случае расчет повторяют, приняв другой режим движения, размеры труб и др.

При выполнении расчета (пункт 10) может оказаться, что для заданных исходных величин подходят несколько нормализованных аппаратов. В этом случае необходимо проверить возможность применения каждого из них. Сопоставление конкурентно-способных аппаратов проводят с учетом их массы (таблица X приложения) и гидравлического сопротивления.